PPS的性能缺陷及四大热门改性方向

PPS本身具有良好的耐热、阻燃、耐化性能，本应是一种前途无量的材料，但纯PPS却存在一些问题：

未经改性的PPS有着一些无法避免的缺陷：

加工难：这是所有耐高温材料的最大痛点——加工温度高，无论是成型工艺还是加工能耗，都会面临极大挑战。此外，在熔融过程中PPS还是还容易发生热氧化交联反应，导致流动性降低，进一步提高加工难度；

韧性差：PPS的分子链呈刚性，最大结晶度高达70%，延伸率低且熔接强度也一般，最终导致的结果是未改性PPS的耐冲击性较差，限制了应用范围；

成本高：PPS原料和通用工程塑料相比，价格要高出1-2倍左右，和一些改性后的材料相比性价比不高；

涂装难：耐化、耐介质同样也是一把双刃剑，PPS的表面涂装和着色性能并不理想。虽然这个缺陷目前来看不算大问题，但也是限制应用的一个因素。

下面是PPS增强增韧改性、摩擦性能改性、导电性能改性、流变性能改性和抗氧化性能改性的研究

1、PPS增强增韧改性研究

PPS增强增韧改性方式主要有纳米材料改性、纤维改性、合金共混改性、化学改性等。

纳米材料改性一般分为2种:

1)采用纳米材料对纤维表面进行处理;

2)以纳米材料为填料直接增强增韧。

纤维的加入可以在保持PPS优异性能的前提下减少PPS的用量,降低成本,并克服了PPS易脆性断裂和低断裂应变等缺点。KhanSM等通过增加碳纤维(CF)层数增强PPS。结果表明:当CF层数由4层增至20层时,材料的冲击强度由2.60kJ/m2升至7.20kJ/m2,硬度也明显增大。

合金共混改性可以克服单一聚合物性能上的局限性。聚苯醚(PES)具有优异的抗冲击性能,可以有效克服PPS韧性差的缺点。热塑性聚氨酯(TPU)具有优异的韧性,可用于增韧聚丙烯、PPS、聚酰胺(PA)、聚缩醛等多种热塑性塑料。

化学改性主要是通过在PPS中引入活性官能团(氨基、羧基等),达到增强增韧目的。

2、PPS摩擦性能改性研究

一般通过合金共混、加入填料构建骨架材料等方式改善PPS复合材料的耐磨性能,扩宽其应用范围。

PA具有优异的耐磨性能,其自润滑特性可以提高PPS在滑动或滚动下的耐久性。

纳米材料可以防止PPS分子链结构的蠕变和滑动或者提高转移膜与摩擦副的结合强度,提高PPS的摩擦性能。

纤维可以形成骨架保护基体材料,有效地降低材料的接触面积,进而降低了其摩擦系数。

在PPS/SCF/Gr复合材料中加入二硫化钨(WS2)或氮化铝(AlN)纳米颗粒,可以进一步改善其摩擦性能,这是因为纳米颗粒产生承重摩擦膜,增强了滑动副的边界润滑能力,缓解摩擦表面的黏附磨损倾向。

3、PPS导电性能改性研究

PPS导电性能改性的主要方法是将PPS和导电性能优异的材料进行共混,提高PPS的导电性能。

纤维素纤维、金属纤维、长碳纤维(LCF)均可以改善PPS的导电性能。

这是由于复合薄膜具有高孔隙率,且对液体电解质有更好的亲和力,降低了其与电极之间的界面电阻。

4、PPS流变性能改性研究

JiangT等分别采用具有圆形和矩形横截面的GF(RdGF,RcGF)对PPS进行改性。结果表明:PPS/RcGF复合材料的黏度远低于PPS/RdGF复合材料,这是因为与RdGF相比,RcGF具有更高的流动敏感性,且对称程度较低,其“网络”结构在低剪切速率下更容易被破坏。

碳纳米管、Gr、笼型聚倍半硅氧烷(POSS)等纳米材料可以有效降低PPS的熔体黏度,提高其熔体加工性能。

5、PPS抗氧化性能改性研究

目前,PPS抗氧化性能改性通常有表面涂覆法、添加纳米材料、添加抗氧化剂3种方法。

表面涂覆法是在PPS纤维或纤维产品的表面覆盖由抗氧化剂组成的保护涂层的处理方法。BaiMQ等在PPS纤维表面涂覆聚苯并恶嗪(PBA),提高了其抗氧化性能。这是因为PBA的交联大分子结构具有屏蔽作用,有效改善PPS纤维的抗氧化性能。但该方法存在表面涂层不均匀和难去除等问题,限制了其应用范围。

添加纳米材料是目前PPS抗氧化性能改性使用最多的方法。在加工过程中添加抗氧化剂也可以提高PPS的抗氧化性能。有机抗氧化剂的耐热性差,将无机纳米材料和有机抗氧化剂结合,可以提高抗氧化剂的耐热性。

未改性的PPS难以应用，那如果要改性，又应该往哪个方向改呢？

近年来随着5G和电动汽车的普及，改性PPS的应用正在不断拓展，比如电池支架、盖板、锂电池隔膜、5G通讯设备、智能终端等等。

下面我们就来看看，PPS当前在这些行业中应用的热门改性方向——

PPS目前主要通过纤维填充和合金两种方式，来提升机械性能。

除了常见的玻纤增强，目前碳纤维、芳纶纤维等填料也是逐渐“走红”的改性体系。这个比较常见，不再过多赘述，展示一些具体的案例——

▲ 聚赛龙 | PPS+40GF | 无卤阻燃、增强改性

▲ 东丽 | PPS+CF

▲ 帝人 | PPS+芳纶纤维 | 玩具

耐磨、耐冲、韧性改性

除了纤维，合金共混也是另外一种行之有效的改性体系。其中不得不重点一提的，当属PPS/弹性体体系。

通俗来说，弹性体的改性原理相当于给材料套上一层“安全气囊”：当共混物受冲击时，弹性体粒子会首先发生形变，通过微孔和空穴来吸收冲击能量；同时产生剪切屈服或产生银纹，让材料由脆性断裂转变为韧性断裂，提高韧性。

▲ 弹性体改性增韧原理

比如东丽此前就凭借其专有的纳米合金技术，开发了高弹性PPS树脂，弹性模量可达1200MPa。

常用于PPS改性的弹性体包括EGMA、（马来酸酐接枝的）SEBS等等。有研究表明，POE-g-MAH增韧体系下的PPS+GF，当质量分数为6%时，复合材料的缺口冲击强度可提升25%。

▲ 东丽 | PPS/弹性体 | 涡轮管路

▲ 东丽 | PPS/弹性体 | 吹塑管道

介电越低，损耗越少，5G高频下更是如此。

为了提升材料介电性能，目前一般会采用共混合金的方式。比如PPS/LCP，据研究表明，该合金体系能在1MHz下，介电常数最优可达2.5。

具体来看，国内LCP大厂珠海万通此前研究的PPS/LCP+GF增强复材，就满足了兼顾力学性能和熔接强度的需求，将有望应用于复杂结构和大尺寸制件。

▲ 珠海万通 | 不同LCP含量的GF增强PPS/LCP

复材的力学性能和熔接线拉伸强度

除了合金之外，低介电填料也是可行的方法之一。诸如空心玻璃微珠、低介电玻纤等填料，也可以有效降低PPS复材的介电常数。

▲ 空心玻璃微珠

据研究，挤出成型后可以将介电常数降低到3以下，且在40-120℃内电气性能稳定。此外将填料进行表面偶联处理后，复材的强度和介电性能可以进一步提高。

在新能源汽车动力电池或是在5G高频等应用场景中，不仅要求材料有良好的耐热性，也对导热提出了一定要求。但PPS本身的导热性能较差，普遍低于0.5W/(m·K)。

目前主要采用金属和无机填料两种方式。其中金属填料虽能提升导热性能，但也会降低绝缘性能。

▲ 高导热复合材料的结构示意图

无机填料方面，包括氧化物、氮化物、碳系材料等。PPS/氧化镁是比较主流的选择，可让材料导热系数上升至1.61W/(m·K)；

而氮化物在制备和工艺上较为复杂，但导热性能也更高：40%氮化硼复材的导热率可以达到4.15 W/(m·K)；

石墨烯、CNT等碳材也是PPS导热改性的选择，在添加量和导热性能之间可以达到一个较好的平衡，比如体积分数29.3%的石墨烯就可以让复材导热系数达到4.414W/(m·K)。

针对锂电池隔膜市场，目前PPS也正在发力应用。

此前常用的隔膜材料是聚烯烃，但聚烯烃材料的电解液浸润性和热稳定性比较差，高温下也容易产生收缩熔融。

而PPS材料的耐化和耐热性能，也有一定的改性应用潜力。目前主要做法是对PPS隔膜表面涂覆，制备复合隔膜。

这种方法已经从学术研究开始逐渐走向产业应用：以PPS无纺布为基材，PVS作为涂覆材料，经过物理涂覆、干燥、热压处理，制备出PVS/PPS无纺布锂电池复合隔膜。

PVS/PPS和传统聚烯烃隔膜相比，虽然厚度有所增加，但能保证更好的浸润性能，且比聚烯烃隔膜的放电比容量更高。

参考资料：参考资料：许柯、张佰城《聚苯硫醚改性研究进展》，现代塑料加工应用，2023年.05期；工程塑料应用